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恒星的一生(一):恒星诞生记

2020-02-14 11:07:21来源:人学研究网 已浏览人数:
目前的恒星形成理论指出,恒星诞生于分子云中。

(作者:傅煜铭,北京大学天体物理学在读博士生)

宇宙中一共有多少颗恒星呢?“不计其数”可以说是对这个问题最为准确的回答。限于我们所处的位置和恒星、星系到我们的距离,我们在夜晚可以用肉眼看到的恒星,几乎全都位于银河系内。我们的肉眼无法分辨遥远星系中的单个恒星,望远镜通常也是如此!因此,许多星系在我们看来都是一个个很小的亮斑或者模糊的小亮点,它们是这些星系所有恒星发光的总和。粗略地估计一下,我们所能观测到的宇宙中有大约千亿个银河系这样的星系,而每一个这样的星系中,又有数千亿颗恒星,很难想象恒星的数目是多么巨大!这些恒星从何而来,又将到何处去?一颗普通的恒星——这个在宇宙中沧海一粟般的平凡存在,究竟又会演绎出何等波澜壮阔的诗篇?

我们来自"星尘"

近代的康德和拉普拉斯提出了“星云说”来解释太阳系的形成,“星云说”认为太阳系内的天体诞生于原始星云中。这一假说为人们研究恒星起源提供了很大启发。经过英国天文学家金斯对星际云不稳定性的开创性研究,以及后来的天文学家们的努力,现代的恒星形成理论逐渐形成和完善,并得到了大量观测证据的支持。目前的恒星形成理论指出,恒星诞生于分子云中。

分子云是星云的一种。星云是对几类由弥散的星际气体和尘埃组成的天体的统称,它们广泛存在于银河系和其他星系中。时至今日,还有一些星系也被称作“星云”,比如仙女座星系又常被叫做“仙女座星云”;这是因为过去人们无法分辨距离遥远的不同类别的延展天体,只好用“星云”这个词来笼统地概括它们。在本文中,“星云”的概念不包括星系。

许多星云因为外观奇特瑰丽而为人们所熟知。我们现在可以使用哈勃太空望远镜捕捉到这些星云的美丽照片,但很少有人知道,星云的物理状态并不像我们所熟知的地球上的云和雾,而是比人类所能制造的实验室真空环境更“真空”更稀薄。星云包括发射线星云、反射星云和暗星云等。发射线星云中比较有名的是行星状星云,它们是小质量恒星死亡后的遗迹;反射星云通过反射附近恒星发出的光而变得可见;暗星云既不发光也没有光供它们反射,由于尘埃的存在,它们会遮挡背景光源的光,所以可以在明亮弥散星云背景的映衬下被发现。

 

人学网 宇宙探索 天地起源 行星状星云的代表:环状星云(Ring Nebula),它也是一种发射线星云。

行星状星云的代表:环状星云(Ring Nebula),它也是一种发射线星云。

图片来源:The Hubble Heritage Team (AURA/STScI/NASA)

 

人学网 宇宙探索 天地起源 反射星云的代表:IC 2118;它是被猎户座的参宿七照亮的。

反射星云的代表:IC 2118;它是被猎户座的参宿七照亮的。

图片来源:Gary Stevens/NASA APOD

暗星云通常是分子云。分子云的主要化学成分是氢分子和氦原子,还包含一些其他元素组成的的原子、分子或化合物。其中许多比氢和氦更重的元素,来自于更老的恒星死亡后抛出的物质。分子云虽然是较为稠密的星际介质,和人类所处的环境相比仍然十分稀薄。分子云的粒子数密度大约是100到1000个粒子每立方厘米,空气的粒子数密度是分子云的10亿亿倍!分子云温度很低,大约10开尔文(开尔文,温度单位,10开尔文等于-263.15摄氏度)。分子云具有巨大的尺度,典型的直径约为几十至数百光年(光年,距离单位,光在真空中走一年的距离,1光年约等于94605亿千米)。因此尽管分子云很稀薄,它仍然拥有很大的质量,通常足以制造上万个太阳这样的恒星。分子云被称为恒星的“育婴室”,年轻的恒星在其中诞生,并经历了最初阶段的演化。

 

人学网 宇宙探索 天地起源 发射线星云IC 434(图中红色的星云)和暗星云——马头星云。在这幅图中,马头星云挡住了背景的IC 434的光,最终造就了一幅剪影。

发射线星云IC 434(图中红色的星云)和暗星云——马头星云。在这幅图中,马头星云挡住了背景的IC 434的光,最终造就了一幅剪影。

图片来源:© Ken Crawford/维基百科

从分子云到原恒星

在分子云的不同位置,物质的密度可能不同,这种密度的不均匀性为分子云后来的坍缩和分裂埋下了种子。触发这一系列过程的导火索,可能是分子云附近的超新星爆发,或者分子云与另一块分子云的碰撞产生的激波。由于受到这样的扰动,分子云中质量较大的部分区域会在自身引力作用下近乎自由落体地坍缩。坍缩的那部分云块越变越密,由于它不够稳定,便继续分裂成若干个小碎块,每一个碎块还会分别继续坍缩。坍缩的分子云碎块密度越来越大,也越来越不透明,物质因热辐射产生的红外光子被困在碎块的核心,难以向外传出,这造成分子云碎块温度升高、气压增大。这样导致的结果,就是原恒星核的形成。

原恒星核周围的气体物质持续落在原恒星核上,并围绕原恒星核一起旋转。这些聚集起来的物质具有很大的角动量,由于角动量守恒,围绕原恒星核旋转并内落得气体最终将形成一个盘状的结构——吸积盘,原恒星核位于盘的中心。原恒星核吸积气体物质,吸积过程将气体物质的引力能转化为内能和辐射能,前者使原恒星核温度升高,后者使原恒星核变得明亮。原恒星核会在这时经历一个短暂的稳定状态,之后当温度升高到使氢分子分解为氢原子时(约2000度),原恒星会再次坍缩;再之后的坍缩发生在温度大约一万度的时候,此时氢和氦都被电离成离子,这次坍缩会在原恒星收缩到直径只有大约几十倍太阳直径时停止。

 

人学网 宇宙探索 天地起源 原恒星和吸积盘的艺术概念图

原恒星和吸积盘的艺术概念图

图片来源:NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

原恒星内的物质会因引力而聚集,致使原恒星内部温度持续升高。当原恒星中心的温度、密度、压力达到一定条件时(温度约一千万度),热核反应就会发生。氢原子会结合形成氦原子,这个过程伴随巨大的核能释放,引发的效应包括温度和压力升高、恒星变亮。当恒星通过热核反应产生的辐射压力与恒星气体的重力相平衡,而且热核反应足以提供恒星向外辐射的能量时,恒星就可以在一段时间内保持稳定。恒星生命中的黄金时代——主序阶段到来了。

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责编:宇宙探索网天地起源栏目史秀洋

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